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上行换热管内置铝制自旋扭带的阻力与传热特性研究 摘要 本文阐述了国内外强化传热及除垢防垢技术的研究意义、进展及现状， 介绍了上行管内置铝制自旋扭带的试验设备及试验过程。 试验研究包括冷态试验和热态试验两部分。冷态试验以2 0 根扭转的扭 带和1 根未扭转的平带为研究对象，以水为工作介质，自下而上流过内置 扭带换热管。对比了扭带置入空管引起的压力降及摩擦系数的变化；采用 非线性拟合建立了流阻、摩擦系数的关联式，揭示了换热管的流阻、摩擦 系数与扭带结构参数的关系：结合转速理论公式分析了扭带的转动特性。 值得一提的是，首次推导得出了摩擦系数的理论估算公式，并且得到了试 验结果的验证。 热态试验以9 根扭带和1 根平带为研究对象，阐述了扭带强化传热的 机理，考察了以饱和蒸汽加热的扭带换热管的传热特性，介绍了采用威尔 逊法求解的基本原理。对比了扭带置入前后的总传热系数以及给热系数的 变化，通过强化传热性能评价，证明上行管内置扭带具有强化传热功能。 试验结果表明，铝制扭带及平带的置入均引起流体压力降和摩擦系数 的增大，阻力降最大为空管的两倍；流体压力降、摩擦系数的理论估算公 式与试验结果相吻合；上行管总传热系数k 提高率在8 2 5 之间，其强 化传热效果不及下行管，仍有一定的应用价值。 关键词：强化传热铝制扭带上行换热管阻力特性转动特性 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nh e a tt r a n s f e ra n d f l o wr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f u p w a r d f l o wh e a tt r a n s f e rt u b ew i t h s e l f r o t a t i n ga l u m i n u mt w i s t e d t a p e s a bs t r a c t t h ep a p e ri n _ t r o d u c e dt h es i g l l i j e i c a n c e ，r e s e a rc _ hp r o g r e s sa n dc u r r e n ts m l a t i o no fh e a t 仃a n s f e r 即h 觚c e m e ma 1 1 d 觚t i s c a l i n gt e c h n o l o g y ，觚dm e ne x p l a i l l e dt l l et e s te q u i p m e n t 锄d t h ee q u i p m e n to ft l l eu p w a r d n o wh e a tt r a n s f e rt u b ei i l s e n e dw i t l ls e l f ：r 0 伽n ga l u m i m 腿 嘶s t i e d 印e s t h ee x p e r i m e n t sc o n s i s t e do ft 、 ，op a r t s ：t h ec o l ds t a t e ：e x p e r i m e n ta n dm eh e a ts t a t e e x p t 衙m e n t t h ec o l ds t a t ee x p e r i i n e n tt o o kn l e 伯 e n 锣俪s t e d - t a p e s 趿do n es 仃a i g h tt a p e 私 s a i 叩l e s ，t ：h ew a t e r 弱w or _ k i n gn u i df l o 、析n gu p w a r d si nm eh e a t 仃s n s f e rm b ei i l s e r t e d 、访t h t 、) l ，i s t e d t a p e s t h ec l 姗g e so fp r e s s u r ed r o p 嬲w e l l 舔也e 衔c t i o nc o e 伍c i e n tw e r ec o m p a r e d r e s p e c t i v e l y ，m ec o 玎e l a t i o n so fn o wr e s i s 切n c ea i l d 缸c t i o nc o e m c i e n t sw e r ee s t a b l i s h e d u s i i l g1 1 0 i d i i l e a rf i t t i i 玛，t h er e l a t i o n s b j p sk 脚咤e nm e 殉m l r a lp a r a m e t e r so fn l et 讲s t e d - 切p e 孤l dn o wr c s i s t a i l c ew e r er e v e a j e 正觚dr o t a t i i 培c k 哦眦e r i s t i c so ft h e “殖s t e d t a p e sc o m b i i l e d w i n lm e o r e t i c a lf 0 珊m aw e r ea l s oa 1 1 a l y z e d ni sw o r 吐lm e n t i o i l i n gt h a lt h e o r e t i c a lf o m l m ao f a 1 1 dt h e 衔c t i o nc o e f f i c i e n tw e r ed e d u c e df i r s t l y a n dm ea g r e e m e n t 晰t ht l l ee x p e r i m e n t a l 1 e s u l t sw a sv e r i f i e d t h eh e a ls t a t ee x p e r i m e n tt o o kt h en i n et w i s t e d t a p e sa i l do n es 臼试g h tt a p e 勰s 锄p l e s ， t b em e c h a l l i s mo fm eh e a tt r a 脚f e re i m 龇1 c e m e n tw 雒s h o w 巩也eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s o ft h et u b ei n s e r t e d 、忻廿lt w i s t e dt a p e sh e a t e db y 翰：t u r a t e ds t e 锄w a ss t u d i e d ，a n dt l l eb a s i c p 血c i p l e so fm l 卿1 鲫k c s o l u t i o nw e 托d u c e d t h ec h a i l g e so fm et ( 蹦h e a t 仃a ：1 1 s f e r c o e 伍c i e n ta n dh e a t 仃a i l s f e rc o e f f i c i e n tw e r ec o m p a r e 也a i l dm eh e a tt r a n s f c re n h a n c e m e n to f t l l et w i s t e d t a p ei i l s e r t e di nu p - n o wt u b ew 嬲v e r i f i e dt h r o l i 曲p e r f l o r m a n c ee v a l u a t i o n t h er e s l l l t si n d i c 砷e d 1 a lp r e s s u r e ( h o p 锄dt i l e 伍c t i o nc o e 伍c i e n ti i l c r e a s e dw h e n i 1 1 s 础gt h et w i s t e d t a p e 锄dt l l e 鼬隐i g h tt a p e ，t h em a x i mp r e s s u r cd r o pw 觞铆ot i m e so f t h ep l a i l l 劬e ；衔c t i o nt l l e o r e t i c a lf 0 衄u l ao ft l 圮p r e s s u r ed r o pa i l dn o wr e s i s t a i l c ec o e 蚯c i e n t c o i l l c i d e d 晰mm et e s tr e s u l t s ：t o t a l 嘶s f e rc o e 伍c i e n tf o rn 圮砸b e 她t h 嘶s t e d 砘a p ei n c r e a s e d e i g h tt 0t v 旧n 锣f i v ep e r c e n t ，m eh e a t 仃a n s f e re r l h a i l c e m e n ti nt 1 1 eu p - n o wt u b ew 嬲p o o r e r t l l a l l t l l a ti i l t l l ed o w n - n o w 缸b e ，b u ta 1 s 0h a dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：h e a t 仃a n s f e re n h a n c e m e n t ；a l u m i n u mt w i s t e d - t 印e ； l l p w a r d - f l o wh e a t 仃a n s f e rt u b e ； r e s i s 协c ec h a u r a c t e r i s t i c s ； r o t a t i n gc h a r 乏l c t e r i s t i c s m 上行换热管内置自旋铝彻扭带的阻力及传热特性研究 符号说明 意义 换热管换热面积 给热系数关联式系数 定压比热 自旋扭带宽度 当量直径 换热管的内径 范宁摩擦系数 重力加速度 节距，自旋扭带旋转1 8 0 0 的轴向长度 单位重量流体流过，米时的沿程阻力损失 u 形管压差计水银液面读数差 总传热系数 管件与阀门等局部阻力当量长度 u 形管压差计两测点之间各管件和阀门的 当量长度之和 换热管的长度 流体对扭带施加的旋转力矩 扭带旋转阻力矩 自旋扭带转速 努塞尔( n u s s e l t ) 数 雷诺数如的指数 普朗特( p 瑚d n ) 数 换热管两端因流体流动引起的总压力降 置入扭带后引起的压力降增量 空管的压力降 置入扭带后压力降增量 换热器的热负荷 污垢热阻 v i m n m n m r m i n 无量纲 无量纲 无量纲 p a p a p a p a w m 2 删 纲酌 纲 地 靴。礁心m m m 礁耐 m m m 叭m m 号利 彳 c 勺d 以西厂 b o 日 砂 k 厶乳 m 吩 疗 p 抑 印肇铆 锄q r 上行换热管内置自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 饱和蒸汽的冷凝潜热 雷诺( r e y n o l d s ) 数 距离扭带旋转轴的1 4 带宽 饱和蒸汽温度 自旋扭带厚度 流体进口温度 流体出口温度 换热管内壁温度 对数平均温度差 流体的轴向流速 流体的环向流速 流经换热管的流体体积流量 冷流体的质量流量 饱和蒸汽的冷凝速率 给热系数 流体绝对速度与z 轴的夹角 扭带倾角 扭带旋转角速度 摩擦阻力系数 导热系数 粘度 密度 强化传热性能评价因子 i 纲 h 纲纲 纲 。 纲 一mm桃眺舰吵够吣一一涨一蚵一 ， 胎 如 r n 忿 “ ” 坳 y 职 仅 y a 知 p 西 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 互军 学位论文使用授权说明 删年莎月j 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： | 团即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 做作者繇王平导师虢黼当腓6 月，日 上行换热管内j l 自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 1 1 研究工作的意义 第一章绪论 能源在国家经济增长和发展中发挥着无可估量的推动作用。但是，在保持着高速的 经济发展的同时，也遭遇到了前所未有的能源瓶颈，严重影响和制约了国家的现代化进 程。这种日趋严重“能源荒”凸显出我国能源利用率低下的弊病：目前，我国综合能源利 用效率约为3 2 ，比发达国家低1 0 个百分点；单位国民生产总值能耗比先进国家高3 倍：主要产品单位能耗平均比国外先进水平高4 0 ( 8 个高耗能行业的这一数值超过4 7 ) ，其中工业锅炉平均热效率只有5 0 到6 0 ，比国外低2 0 至3 0 个百分点【1 1 。从另 一个角度说，我国的节能还具有相当大的潜力。同时能源利用率低还带来了生态环境的 严重污染问题，由此每年给中国带来的直接经济损失是全国g d p 的3 【2 】。因此，注重 能源资源的节约，提高能源利用效率，对于中国来说既重要又迫切。 能源通过各种方式的能量传递过程被利用，最普遍的就是热量的传递。传热过程在 动力、核能、制冷、化工、石油乃至航空等工业中是最常见的能量传递过程，也是能量 不可避免的耗散和损失的过程。这个过程通常通过各种形式各异，大小不一的换热设备 进行，这些实现热量由热流体传给冷流体的设备就称为换热器【3 】。换热器在这些部门中 占了投资很大的比例，比如电厂换热器的投资约占整个电厂投资的7 0 ，炼油企业2 5 的设备投资用于各种各样的换热器。由于换热器在工业部门中的重要性，以及由此而产 生的能源和材料的巨大消耗。因此从节能和节省材料的角度出发，减小换热器的体积， 减少金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，就必须采 用各种办法来增强换热器内的传热，也就是强化传热过程卜6 1 。 强化传热技术的实质是分析影响传热的各种因素，采取某些技术措施以提高设备单 位体积的传热量，即在一定的冷热流体温度下增加传热量，使金属耗量和阻力的增加在 合理范围内【。因此，换热器的结垢瞵j 成为了解决传热问题的关键之一。由于人们逐渐 意识到单一强化传热作用的技术常常因为换热管内污垢的集聚而使其失去效用，在不能 实现增大热能利用的同时，反而常常会因为采用的这种技术增大额外的功耗。因此，能 够实现强化传热与除垢防垢并举，才不失为一种实现真正较为长久的节能降耗的技术。 因此，在换热器运行过程中，采取合理措施防止和减少污垢的形成，才可以减少热能的 损失和金属材料的浪费，在实际生产中真正起到节能降耗的作用，对于解决国家经济发 展中的能源瓶颈问题，实现可持续发展有重要意义。 1 2 强化传热的目的和途径 工业上应用强化传热技术，一般是为了达到以下的目的【9 】： ( 1 ) 减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量； 上行换热管内置自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 ( 2 ) 提高现有换热器的传热能力； ( 3 ) 使换热器在较低温差下工作； ( 4 ) 减小换热器阻力，以减小换热器的动力消耗。 一般采用的解决换热器强化传热技术的手段有【9 】： ( 1 ) 增大平均的传热温差。该方法的实现是通过改变冷热流体的相对流向或采用合 理设计改变换热面的布置。但是，在很多的工程中，物料或者说冷热流体的温度是由生 产工艺及其它因素所决定的，这就意味着在大多数的工业生产中，这种方法受到极大的 限制，只能在有限的范围内使用； ( 2 ) 增大换热面积。增大换热面积通常是采用小直径的换热管或扩展面来实现，即 最优化的换热面积。常见的一些诸如板式和板肋式等新式紧凑式换热器中，由于收到布 置和结构的影响，不适用于高温高压的场合。在高温高压下采用的经常是简单的扩展表 面换热面，但是经常带来阻力增大的问题，需要综合考虑其经济性。 ( 3 ) 提高传热系数。提高传热系数是当前研究的重点，其理论依据是 ll艿1 一 i2 i + 了+ i 一+ r ( 1 一1 ) k忽a 风 v 其中，k 总传热系数，w ( i n 2 k ) ； 扛热流体与管壁之间的换热系数，w ( m 2 k ) ； 6 管壁的厚度，m ； a 管子材料的导热率，w ( m k ) ： 啊拎流体与管壁之间的换热系数，w ( n 1 2 k ) ； 天污垢热阻，( i n 2 k ) w ，热量在污垢层的传导可表示为式( 1 2 ) 只 r = 挚( 1 2 ) 其中，靠垢层的厚度，m ； k 垢层的导热率，w 必m - k ) ； 提高 ，红方法原则上都是提高工质的流动速率，增大流体的扰动，破坏边界底层 的发展，改变受热面的表面状况等。对于单相流体的传热，根据场协同理论，可以通过 改变流速与温度梯度场之间的夹角来实现。总之根据情况的不同，分析影响传热的主要 因素，采用不同方法来达到这一目的。 值得注意的是，污垢形成的热阻是影响总传热系数的重要因素。在很多情况下，污 垢是传热的最大阻力。从式( 1 2 ) 可以看出，减少污垢的厚度是提高传热效率的一个重 要的途径。换而言之，除垢防垢才能为强化传热技术持久的发挥其效用提供保证。 2 广西大掌硕士掌位论文上行换热管内置自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 1 3 强化传热的发展历程 1 8 世纪蒸气机发明之后，人们开始关注提高蒸气机的效率，节约燃烧用煤，探索提 高热能利用的方法和途径。而在这一世纪之初，n e w t o n 就提出让风吹过物体表面通过 加快空气流通促进强化对流传热，因此成为研究强化传热的先驱。1 8 6 1 年，焦耳发表了 一篇关于冷凝器水侧换热强化的试验报告。2 0 世纪初传热学独立成为一门学科，而强化 传热也伴随着传热学的研究发展起来。在2 0 世纪5 0 年代，人们把研究重点集中在单相 流体的强化传热、工质沸腾和凝结的研究，其研究成果开始见于发表。在2 0 世纪6 0 年 代之后，强化传热成为传热学一个重要的专门领域而蓬勃发展。2 0 世纪7 0 年代能源危 机，让人们对这一领域的重要性有了更清晰的认识。在这期间，人们研究了粗糙表面法、 插入旋转单元法、加入扰流元件法、流体振动法等。2 0 世纪8 0 年代，第二代强化传热 技术在工业领域中得到普遍的利用，转化为一种不可忽视的生产力。到了2 0 世纪的最 后十年，三维肋管、漩涡发生器、复合强化传热技术已经昭示着强化传热技术向第三代 的发展【1 0 l 。 我国对传热理论及高效换热器的研究起步比较晚，走过了从引进、消化、吸收、发 展到自主开发的历程。从2 0 世纪5 0 “0 年代的照搬发展到7 0 年代消化和吸收，进入8 0 年代以后，国内又出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场， 形成第一次传热开发浪潮。同时，由于石油化工生产中，换热设备存在污垢沉积的问题 被逐渐重视起来【l 卜1 4 1 。在8 0 年代初，设备的在线自动清洗技术发展起来以后，在世界 各国相继迅速的推广应用。到9 0 年代中期，强化传热技术广泛应用于工业装置中，带 来了良好的社会效益和经济效益。目前，以西安交通大学和华南理工大学为代表的一批 高校和科研院所，着眼于强化传热新理论的创见，具有代表性的是“场协同理论”i l 别。在 新旧理论的共同指导下，第三代强化传热技术和成果的研究更加备受关注。根据不同的 工艺条件与换热工况设计、制造不同需要的强化传热元件和相应的换热设备，在化工、 石油化工、制冷等行业已有较广泛的应用，取得了较大的经济效益。 根据f o u m e n y 和h e g g e s 的分析和研究，就目前而言，无功强化技术在工程上的应 用效果及前景较好，而有功强化由于具体应用条件的不成熟，应用尚少【l o 】。在各种强化 传热技术中，表面处理技术仅用于沸腾蒸发和凝结过程；粗糙表面技术可以广泛的应用 在气体的强制传热、液体强制对流及沸腾蒸发过程中；扩展表面在气体强制对流中效果 明显；同粗糙表面技术一样，流体旋转技术应用广泛，在液体强制对流中效果尤其明显； 多孔结构技术则只在沸腾蒸发中用在发挥其强化传热的作用。 1 4 内插物技术 传热面上污垢的导热系数很低，九= o 1 7 4 1 1 6 3w ( m k ) ，是钢材的l 3 9 1 2 6 0 ， 严重恶化了换热器的换热性能，而且由于污垢的沉积作用使管道流通截面积减小，导致 3 广西大掌硕士掌位论文 上行换热管内j l 自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 恒定流量下流体流速的增加。污垢使换热器表面的粗糙度增加，导致流体压力降增大， 增加了泵功率的消耗。此外，换热面材料本身参与化学反应所产生的腐蚀物的积聚，形 成腐蚀污垢，同时还可能促使其他潜在的污秽物质附着于传热面上。换热壁面上污垢的 积聚还会引起局部过热或超高温，导致换热管机械性能下降，导致换热管乃至整个换热 器的失效【l6 ，1 7 】。因此，研究者逐渐意识到污垢会使单单起到强化传热作用的技术起不到 应有的效果乃至于徒劳无功【l 引，特别是在长期运行的换热器，污垢对其产生的影响更加 明显。 为了消除污垢对设备造成的影响，采用的方法有机械方法、化学方法和物理方法。 据美国d 认l o g 系统数据库对有关传热表面清洗的统计分析表明，机械方法占污垢清 除方法的大部分，化学方法约占2 5 ，物理方法只占2 左右。应用较多的机械方法有 往复式机械法、旋转式机械法、振动机械法、喷丸清洗、射流清洗法、固体颗粒流态化 清洗等除垢方法；常用的化学方法有碱洗、酸洗、氨洗、专用溶剂清洗、燃烧污垢等。 对于具体的传热设备应根据设备的结构、污垢种类、流体性质、使用条件等因素来选择 合适的除垢方法。为了节省停工清洗的劳力和费用，延长运转周期，节约维修费用，在 线污垢清洗逐渐成为污垢清洗研究领域的重点之一。 基于以上的考虑，因此将强化传热与在线除垢防垢相结合的技术才是真正能够完全 而有效的发挥其性能的技术。污垢的机械清洗和强化传热结合开发出了内插物技术，包 括有内置纽带( 扭带) 、内置弹簧、内置螺旋线、液轮机、静态混合器及其他一些内插 物装置。 以下简要介绍这些技术及其最新的研究动态。 1 4 1 纽带( 扭带) 纽带是最早得到开发并且应用于工业的技术之一，迄今有五十多年的研究历史。扭 带是一种制造简单，可以使流体旋转通过流道的旋流发生器。它通常是由薄金属片或者 是其他容易变形的材料薄片强制扭转使其螺旋变形。通常对纽带的研究都是通过一定试 验条件下得到的数据，分析强化传热的性能和阻力特性，并且经常总结归纳得到关联式。 对于粘滞流体，纽带也有很好的强化效果【l 引。 对于常规纽带的研究，国内外的研究者都投入了极大的热情。在文献 2 0 】和【2 l 】中， 泰国和爱沙尼亚科学家通过试验证实了纽带具有强化传热效果。在文献【2 2 2 7 】中，集中 了近年来对纽带的除垢防垢进行研究的国内研究者所得到的一系列成果，并且纽带技术 已经在工业中有一定的应用。除了单独使用纽带之外，很多研究者将其与各种异型管结 合，研究这种简单复合形式下的强化传热效果【2 s 3 0 】。 1 4 2 改进型纽带 研究人员在常规纽带的研究中，又尝试着对纽带进行了一些结构和布置中的改造， 4 广西大学硕士掌位论文上行换热管内置自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 开发出了一些在性能上甚至更优于常规纽带的改进型纽带。典型的有各种加齿纽带及半 纽带。 鬟銎磐篓擎缈：篱蠖。多； 图1 1 加齿纽带【3 1 】 f i g 1 - 1r i br o u g h e n e dt w i s t e dt 印e 图1 - 1 所示的就是台湾研究人员开发的增加了直齿( 肋板) 的纽带。直齿纽带可以扩 大实现传热效果的雷诺数范围，而且强化传热效果要由于常规纽带，但是同样由于直齿 的存在使得阻力系数增大。该研究还进行了一根管中同时放置多根纽带的强化传热试 验，为纽带在大管径换热管中的使用提供了参考【3 。同样的，将直齿改成与中轴线成一 定角度的斜齿，就是斜齿纽带，在0 5 n 1 s 以上的低流速传热设备中可以广泛应用【3 2 3 3 1 。 值得一提的是，增加各种齿，都有更加优于光滑纽带的除垢效果，有效的减小了传热的 热阻，这对于强化传热来说，是有重要意义的。 1 4 3 螺旋线圈 与纽带具有同样研究历史的管内强化换热技术是在管内插入螺旋线圈或者螺旋线， 是把金属丝以一定的螺距绕在一根轴心加工而成，它和螺旋弹簧的作用机理相同，只是 弹簧每圈都密实排列，而螺旋线圈要稀疏的多。 国内研究者将管内插入螺旋线以强化竖管降膜蒸发传热，在液膜雷诺数为7 0 0 0 1 0 0 0 0 的范围内，放置螺旋线可提高传热膜系数2 0 以上，并且确定了最佳结构参数， 为螺旋线的优化设计提供了依据【34 1 。文献【3 5 研究了内插螺旋线圈的水平管内水的对流 强化传热及流阻特性，用试验验证了螺旋线的强化传热作用。 图1 2 螺旋线圈【”j图1 3 螺旋弹簧【蹦j f i g 1 2w i r ec o 订i n s e r t sf i g 1 - 3h e l i xs p r i n gi ns t e e lt u b e 泰国的科学家对以冷热水为热交换介质，经过内置螺旋线圈的套管换热器进行传热 过程进行了研究【36 1 。通过对试验数据的分析，发现传热得到了强化。特别是在层流情况 下，并且总结归纳提出了绝热条件下传热系数与摩擦阻力因数之间的关联式，能够与实 测数据较好吻合。韩国的科学家对低温气体氮气的沸腾传热特性进行了试验研究后，发 现水平光管中插入螺旋线圈后，三号线圈得到的传热系数是相同条件下光管的1 7 4 ， 强化传热性能大大提削3 7 j 。 广西大学硕士掌位论文上行换热管内置自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 1 4 4 螺旋弹簧 旋转式弹簧清洗技术是由湘潭大学开发成功的。分为整体弹簧和分段弹簧两种，可 以自行用钢丝绕制，也可以使用现成的弹簧。根据其安装方式，又分为固定式和旋转式。 如图1 3 所示的旋转式，在传热介质带动下，旋转弹簧可以自动的连续旋转，并且在流 体流动的诱导作用下发生横向震动。由于螺旋对传热污垢有转动清洗作用，加上法向震 动的频繁敲击作用，获得了传热面在线连续自动除垢的效果。同时两种作用使传热边界 层受到强烈扰动，强化了边界层的传热过程和中心流体之间的传热过程。螺旋弹簧其实 是特殊的螺旋线圈。 这种结构的优点是在较高的流速下，弹簧因能整体转动可擦洗传热面而具有较高 的除垢效率。缺点是弹簧两端的支承较复杂，并存在磨损问题。安装不如固定式弹簧容 易。欲使弹簧产生连续转动，就需要流体对其施加足够大的作用力，一般要求流速在 0 6 州s 以上。流速增大，则除垢效率提高。另外，由于弹簧本身的转动，使其对流体的 扰动不像固定式弹簧那样剧烈，因此在相同的流速和弹簧参数下，管程膜传热系数的增 长幅度要比固定式弹簧略低些，流动阻力也相应小些。在湍流条件下，管程膜传热系数 能比光管时提高1 0 以上p 8 ， j 。 1 4 5 液轮机 由广西大学开发的专利发明，是通过大量的试验研究而发明的一项在线除垢防垢并 具强化传热作用的新技术，并己获中国国家专利授权。液轮机的实质就是加了固定转轴 的纽带【4 0 1 。 液轮机是在一钢管上焊上螺旋叶片制作的内置物，属于无功强化技术。液轮机转子 不断刷洗换热管，换热管很难结垢且可除去原有的污垢；同时扰动流场，强化传热。根 据试验研究，换热管内放置液轮机后的总传热系数比无垢空管时的总传热系数提高了 1 9 8 1 1 1 9 7 ，平均提高了5 2 2 3 【4 1 1 。 ，鬣一锡酸豫a一“勉a 一、_ 一一絮一_ 弋，一罗一鼍 图1 - 4 液轮机【4 2 】 f i g 1 4h e l i c a ls c r e wi n s e n s 印度研究人员近来研究了螺旋叶片不连续，且扭率不同的液轮机的强化传热性质， 发现不连续的螺旋叶片焊接而成的液轮机与连续螺旋叶片的液轮机相比，其努塞尔准数 减小1 0 的同时，其摩擦系数下降了2 倍。在高雷诺数流动态，其下降倍数可以达到4 。 因此，在高雷诺数情况下，使用不连续螺旋叶片的液轮机在保证较高的强化传热性能的 同时，大大的减小由于摩擦而引起的能量损失【4 2 1 。 6 上行换热管内置自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 1 4 6 静态混合器 上个世纪6 0 年代末期，由荷兰人首先提出了一种新型化工单元设备静态混合 器，并在发达国家取得较快的发展。自静态混合器问世以来，已有数十种不同结构的静 态混合元件投放市场。静态混合器的型式有n i c s 型、s m v 型、s v 型、s u l z e r 型、 s k 型等等。到目前为止，全世界有约六十多种静态混合器应用在化工、制药、食品、环 保等生产领域。 图1 5i 正n i c s 型静态混合器【4 3 】 f i g 1 5k e i l i c s 锄i cm i x e r 在众多的混合元件中，使用最多的是k e l l i c s 静态混合器。k e i l i c s 静态混合器由一系 列左、右扭转1 8 0 0 的短元件，按照一个左旋、一个右旋的排列顺序，互相错开9 0 0 再点焊 而成。静态混合器广泛应用于化工单元操作过程中，特别适用于粘度较大的流体的传质 和传热【4 3 】。有较早期文献指出，现在设计应用的k e i l i c s 静态混合器由于成本高，而且清 洗不方便，只在一些特殊的条件用于传热，但是由于对流体有很好的混合作用，很有可 能演变成一种理想的具有良好强化传热效果的换热设备】。 文献【4 5 】对比介绍了s v 、s k 、s h 、s l 、s x 型5 种国产型号静态混合器的结构特点、 适用范围、技术特性以及设计选用时各主要工艺参数的确定。从中可以看出大部分的静 态混合器还是仅用于物料的混合，s v 型是应用于传热强化的一种。上海化工研究院在用 水冷却热空气时，使用s v 5 8 0 型静态混合器对传热进行强化。测定结果表明，在1 7 州s 4 4 耐s 的流速范围内，混合器的传热系数是空管的7 8 倍，大大提高了传热效率【删。 1 5 异型管 改变管子传统的圆柱形，使其具有更加复杂的表面，通过流体在这类形状特殊管子 中的特殊流动形态，起到强化传热的作用，也是当今研究的一个重要方向。但是，这类 管子只能起到在线阻垢的作用，同时研究也发现，不是所有的异型管都可以同时发挥强 化传热和阻垢的作用。 1 5 1 波纹管 波纹管【4 7 删是一种在管壁上带有凸成弧形突出管节的异型管。管子流通面积的不断 突变造成流体处于高度的湍流状态，而层流态基本不会出现，这样就大大提高了传热系 数。强化传热试验研究发现，波纹型换热元件的换热效果为常用光管的2 4 倍。在相对 比较可靠的试验条件下，得到，波纹管的渐近污垢热阻值约为光管的0 8 8 倍，波纹管比 7 上行换热管内j ：自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 普通的光管有更好的阻垢性能。 图1 - 6 波纹管【4 7 1 f 适1 石c 哪a t e dt u b e 1 5 2 横纹管 1 6 ， 点- i ，j 图1 7 横纹管【4 9 】 f i g 1 - 7t 均n s v e r s a l l yc o m l g a t e dt u b e 横纹管【4 9 】出现于上世纪7 0 年代中期的一种高效换热元件，管子上带有外凹内凸横纹 槽道。经试验研究发现，清洁状态下横纹管将传热率提高2 0 ，表明横纹管有较好的传 热性能。横纹管的渐近污垢热阻值约为光管的o 8 3 倍，也就是说横纹管也是一种同时具 有强化传热和阻垢功能的异型管。 1 5 3 弧线管 和横纹管差异很小的弧线管【5 0 1 ，只是将横纹管外凹内凸的过渡部分由直线变为弧 线，在试验条件下得到的强化传热比为1 7 ，渐近污垢热阻值约为光管的o 6 2 倍，是性能 非常突出的强化换热管。 卜 l 双 寸i 力，! d 图1 8 弧线管【5 0 j f 嘻1 8 a r c l i i l e t u b e 1 5 4 螺旋槽管 图1 9 螺旋槽管1 5 l 】 f 遮1 9s p i r a l - 伊0 0 v e dn l b e ； 螺纹槽管【5 l 卫】是将原本与管子轴线垂直布置的凹槽倾斜形成类似于螺纹具有一定的 角度。还可以对斜纹进行更加合理的布置，形成w 形、c 形螺纹。这种管子在试验条件 下其强化传热比为1 3 ，但是其渐近污垢热阻值约为光管的1 3 6 倍。也就是说，这种管子 单从强化传热角度说，具有良好的性能，强化传热的同时却同时增加了形成污垢的可能， 因此是一种只能单纯用在洁净流体中发挥其传热功能的技术。 8 广西大掌硕士掌位论文上行换热管内置自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 1 5 5 缩放管 缩放管【5 3 1 是类似与几个喷头大小相接形成的截面平滑过渡的异型管。异型管同样由 于截面的渐变导致流体流态的改变而增加了湍流程度。在污垢和清洁两种情况下都有很 好的强化传热性能，同时试验发现缩放管具有较好的阻垢性能，但诱导期小于对应光管 的诱导期。 1 6 研究课题介绍 1 6 1 课题来源 图1 1 0 缩放管1 5 3 】 f i g 1 - 1 0c 0 n v e r g e n t 埘v e r g e n tt u b e 本课题基于广西自然科学基金( 桂科青0 4 4 7 0 0 5 ) ：微型液轮机强化传热研究；广西 大学自然科学基金换热管内液轮机工作特性研究上开展的。 1 6 2 课题的开展 通过进一步的理论学习及其相关文献的阅读，对于国内外在该领域的发展和研究成 果有全面的认识，把握了该领域的研究发展方向和基本方法。在前期的探索试验基础上， 使用扭带转动和传热特性试验比较成熟的试验方法体系。通过考察扭带在立式换热管内 转动特性和阻力特性，研究其在除垢方面的潜在应用价值；通过考察扭带在传热过程中 对于该过程的影响来验证其强化传热效果，并且通过理论分析，对强化传热的实现过程 进行定性和定量的描述，建立对实际生产适用性更加广泛的指导性理论。 本课题前期已经进行了大量的工作，已有的水力试验设备和测量仪器可以满足试验 需要，试验具有可行性。本课题的创造性和先进性在于，在基于前面的研究基础之上， 通过对原有设备的简单改造，探索和研究了同时起到强化传热和除垢防垢效果的上行管 内扭带插入物技术，并且和前面的研究进行对比和总结，得出适用性更加广泛的一套理 论和方法。 1 6 3 课题的主要工作 ( 1 ) 采用预先切割成不同宽度的纯铝条作为自旋扭带的制作材料； ( 2 ) 手工扭制成不同螺距的旋转扭带，根据试验热管长度将两端连接起来： 9 广西大学硕士学位论文上行换热管内置自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 ( 3 ) 应用已有的热工水力试验设备回路，分成冷态和热态两种情况，进行不同试验 数据的测量：冷态试验主要测量扭带的转动和阻力特性，确定最佳参数；传热试验 测量蒸汽温度、流体进出口温度、阻力损失等数据； ( 4 ) 用m a t l a b 和e x c e l 对试验数据进行整理、分析、曲线拟合，得出直观表征流体 阻力和传热特性的图线，对自旋扭带的传热特性和阻力特性进行分析研究。 l o 上行换热管内j l 自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 2 1 试验装置介绍 第二章试件的制作及试验的流程 试验是研究工作的第一步，分为冷态试验和传热试验，其试验装置如图2 1 所示。 为了实现管内被加热介质水的上行流动，对原有的传热试验设备进行了简单的改造。换 热器试验段核心是外部有约5 0 n n 厚的玻璃纤维保温层的钢管，作为换热器的壳程，内 部管程采用规格为口眨5 2 5 舢 n 、有效长度为3 0 0 0 m m 的无缝钢管。自旋扭带放置在管 程中，在换热管的进出口两端分别设有温度、压降、转速的测量装置以获得试验的数据。 管程流体为水，通过在管内插入不同规格的自旋扭带进行试验；壳程的加热介质是 由d z f 电蒸汽发生器产生的饱和蒸汽。在换热器管程的进出口以及壳程的中部分别设 置有温度计，以测量介质的进、出口温度和壳程饱和蒸汽的温度。管程的阻力降通过水 银压差计测量而得，水的流量用型号为i f m 4 0 8 0 f 的电磁式流量计测量。将小镜片用胶 布贴在自旋扭带的下部转轴上( 视镜可见的地方) ，用s z g 一4 4 1 b 手持式数字测速仪测 量其转速。 l ，贮水槽2 ，水泵3 电磁式流量计4 ，视镜5 、进口温度计6 、u 形管压差计 7 ，精密压力表8 饱和蒸汽温度计 9 ，出口温度计 l o 、换热器l l 、d z f 电蒸汽发生器 图2 1 试骀设备简图 f 远2 lt h e t e s ti n s t a l l a 士i o n 2 。2 扭带的参数和规格设置 自旋扭带不依靠外加力，由流过管道的流体推动其旋转。扭带的主要参数有带宽d ， 节距b 厚度f 及扭转比n 广西大掌硕士学位论文上行换热管内置自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 】，：旦 d 式中】，自旋扭带扭转比； 阻一扭带旋转1 8 0 0 的节距，m ； d 一自旋扭带的带宽，m 。 ( 2 1 ) 图2 2 铝制扭带及结构参数 f 培2 2t h em i s t e d - 卸ea n dt h es t r u c t u r a jp a r a m e t e r 本文以厚度为0 5 n h n 的铝材为扭带的的制作材料，以带宽d 和节距日为变量，研 究这两个参数对自旋扭带工作特性和换热性能的影响。同时统一采用l d d 】，作为扭带 的规格编号。 2 3 扭带的制作 铝材具有密度小，加工容易且成形效果好，具有耐腐蚀性好的优点。特别是在试验 条件下，扭带形状持久，具有稳定的结构参数，这样保证了扭带能够很好的发挥其作用。 其制作过程如下： ( 1 ) 铝条的长度和厚度直接影响手工加工的难度，太厚太长的铝板其扭转需要的力 很大，极容易发生褶皱变形破坏；同时还受到切板机的限制。因此选材为厚度为o 5 m m 的纯铝板，其规格为10 0 0 2 0 0 0 i n m ； ( 2 ) 将铝板在专门的切板机上进行画线切割，切出的铝条保持平直，边上没有任何 毛刺，这也是影响扭带加工质量的重要一环，最好由专门的切割工厂完成，留出足够的 余量备用； ( 3 ) 选取长度为2 0 0 0 姗的扭带，将其一端牢固的固定夹具上。紧固夹具前应注意 观察铝条的位置是否与扭转端保持水平； ( 4 ) 铝条的扭转用钳子钳住，始终绕一个方向平稳的旋转。旋转钳子时要保持一定 的水平预紧力，保持预紧力是防止扭带由于扭转过程中的变形造成扭带的褶皱乃至破 坏，以便高效地制得试验所需节距的螺旋铝制扭带； ( 5 ) 旋转的过程中注意测量扭带的节距。在扭带的节距接近预计值时，减慢钳子旋 转的速度，使扭出来的扭带节距尽可能精确； ( 6 ) 扭带的规格达到预定的试验值时，将扭带水平取下，不得打弯。然后悬空垂钓 或水平放置在地面。 1 2 厂西大掌硕士学位论文上行换热蕾内j l 自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 2 4 扭带的连接 2 4 1 连接件 本试验采用的是分节扭带，这主要是受到加工条件的限制，采用由钢丝自制的菱形 钩子，把分段的铝制扭带连接起来，保持3 0 0 0 n u n 的有效长度。菱形的连接件可以起自 动矫正的作用，在扭带的位置发生偏离时能自动校正。 2 4 2 支撑装置 由于试验采用的是上行管路，因此，在扭带两端都必须设计支撑装置，来保证扭带 能够良好的转动。同样采用钢丝弯制成挂钩作为扭带转动的转轴。然后将挂钩放置在一 个钢环支架上，挂钩可以在支撑架上转动，这样扭带就会和挂钩一起在换热管内转动。 1 1 上部挂钩2 换热管3 菱形连接环 4 扭带5 带反光片的下部挂钩 图2 3 扭带安装示意图 f 培2 - 3t a p ei i l s t a l l a t i o nd m 、v i n g 2 5 扭带的安装调试 图2 - 4 挂钩支撑件 f i g 2 4s t r l i t t i n gp i e c e 扭带的安装是本试验一个重要的环节，需要4 到5 人协作完成。 ( 1 ) 首先将联结换热管的上下弯管的法兰及视镜的螺栓拆下，露出换热管的进口和 出口： ( 2 ) 扭带由换热管上部装入，放置的时候注意不要使扭带发生弯曲变形，但是上端 需要在下端转轴及法兰等完全安装好之后才能安装； ( 3 ) 安装转轴，调整视镜的位置，保持转轴上粘贴的反光镜片在视镜或接近视镜的 中央，处于一个易于观察的位置；同时还要注意下部的钢环嵌到弯管的环槽当中，然后 1 3 上行换热管内置自旋铝制扭带的阻力及传热特性研究 装好螺栓，适当紧固； ( 4 ) 安装上部的转轴，将转轴撑直以观察转轴与钢环的之间的间隙，一般有3 到5 i 衄 的间隙即可； ( 5 ) 手工转动上部转轴，进行扭带的试运转，根据手感来判断扭带是否安装良好， 运转是否受到较大的阻力，如果感觉运转受到很大的阻力或有明显的摩擦，重新调整： ( 6 ) 当扭带检查安装良好后，上下的法兰和螺旋完全紧固好；同样需要注意上部的 钢环嵌到弯管的环槽